Ю. А. Холодов.
Магнитогидродинамический генератор
Магнитогидродинами'ческий генера'тор, МГД-генератор, энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Название «М. г.» связано с тем, что движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой . Прямое (непосредственное) преобразование энергии составляет главную особенность М. г., отличающую его от генераторов электромашинных . Так же, как и в последних, процесс генерирования электрического тока в М. Г основан на явлении индукции электромагнитной , то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля; отличие М. г. в том, что в нём проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. Рабочими телами М. г. могут служить электролиты , жидкие металлы и ионизованные газы (плазма ). В типичном для М. г. случае, когда рабочим телом служит газообразный проводник — плазма, носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. В сильных магнитных полях или разреженном газе заряженные частицы успевают между соударениями сместиться (в плоскости, перпендикулярной магнитному полю); такое направленное смещение заряженных частиц в М. г. приводит к тому, что появляется дополнительное электрическое поле, так называемое поле Холла (см. Холла эффект ), направленное параллельно потоку газа. Термин. «М. г.», первоначально обозначавший устройства, в которых рабочим телом являлась электропроводная жидкость, в дальнейшем стал применяться также для обозначения всех устройств подобного типа, в том числе использующих в качестве рабочего тела электропроводный газ.
Идея возможной замены твёрдого проводника жидким была выдвинута английским физиком М. Фарадеем. Однако его попытка экспериментально подтвердить эту идею в 1832 окончилась неудачей, и лишь в 1851 английский учёный Волластон практически подтвердил предположение М. Фарадея, измерив эдс, индуцированную приливными течениями в Ла-Манше. Отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам газообразных и жидких тел долго тормозило работы по практическому использованию идеи Фарадея. В дальнейшем исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования эдс для измерения скорости движущейся среды (например, в электромагнитных расходомерах) и генерирование электрической энергии. Первые патенты по использованию метода МГД-преобразования энергии были выданы в 1907—10, однако упоминающиеся в них способы и средства как ионизации, так и получения необходимых электрофизических свойств рабочего тела были неприемлемы. Практическая реализация МГД-преобразования энергии оказалась возможной только в конце 50-х годов, после разработки теории магнитной гидродинамики и физики плазмы и исследований в области физики высоких температур, благодаря главным образом успехам ракетной техники и созданию к этому времени жаропрочных материалов.
Первый экспериментальный М. г. мощностью 11,5 квт, в котором осуществлялось достаточно сильное взаимодействие между ионизированным газом и магнитным полем, был построен в 1959 в США. Источником рабочего тела — плазмы с температурой 3000 K — служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. На этом М. г. был продемонстрирован эффект Холла. В 1960 в США был построен лабораторный М. г. на продуктах сгорания с присадкой щелочного металла. К середине 60-х годов мощность М. г, на продуктах сгорания удалось довести по 32 Мвт («Марк-V», США).
В СССР усилия специалистов были направлены главным образом на создание комплексных энергетических установок с М. г. В 1962—65 были проведены теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили в 1965 ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку «У-02», включавшую основные элементы ТЭС с М. г. и работавшую на природном топливе. На «У-02» были получены экспериментальные данные, существенно расширившие представление о возможностях практического использования МГД-установок. Несколько позднее было начато проектирование опытно-промышленной МГД-установки «У-25», которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на «У-02». Успешный пуск первой в СССР опытно-промышленной энергетической установки с М. г., имеющим расчётную мощность 20—25 Мвт , состоялся в 1971.
М. г. состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), электромагнитной системы для создания магнитного поля и устройств для отвода электроэнергии (электродов) с включенной нагрузкой (рис. 1 ).
Системы с М. г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из них присадки щелочных металлов (вводимой в рабочее тело для увеличения электропроводности) выбрасываются в атмосферу. В М. г. замкнутого цикла тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, передаётся в теплообменнике рабочему телу, которое затем, пройдя М. г., возвращается, замыкая цикл, через компрессор или насос. Источниками тепла могут служить реактивные двигатели, ядерные реакторы, теплообменные устройства. Рабочим телом в М. г. могут быть продукты сгорания ископаемых топлив и инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей); пары щелочных металлов; двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов; жидкие металлы и электролиты. Но если жидкие металлы и электролиты являются природными проводниками, то для того чтобы газ стал электропроводным, его необходимо ионизовать до определённой степени, что осуществляется главным образом нагреванием до температур, достаточных для начала термической ионизации (большинство газов ионизуется только при температуре около 10000 К). Необходимая степень ионизации при меньших температурах достигается обогащением газа парами щелочных металлов; при введении в продукты сгорания щелочных металлов (например, К, Cs, Na) или их солей газы становятся проводниками уже при 2200—2700 К.
В М. г. с жидким рабочим телом генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре. В М. г. с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима: с сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии; с сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры; со снижением и температуры и кинетической энергии.